תנועה בראונית הינה תנועה שבה שבה חלקיקים זעירים (לאו דווקא קטנים כמו אטומים), שקועים בנוזל או שצפים על פניו, נעים בצורה אקראית. דיפוזיה, כלומר פיעפוע, הינה למעשה תנועה הבראונית. היה זה איינשטיין שהפך את התנועה הבראונית למפורסמת, כאשר פירסם את תוצאותיו ב 1905: השנה המופלאה שלו (annus mirabilis).

נחשוב על גודל פיסיקלי כמו מיקום לדוגמא, שמבצע תנועות אקראיות קטנות. למעשה, בכל מערכת שבה ריכוז החלקיקים אינו אחיד ואשר אין בה כיוון מועדף, יש סיכוי גדול שתהיה תנועת חלקיקים מאזורים בעלי ריכוז גבוה לאזורים בריכוז נמוך, מאשר הסיכוי לתנועה בכיוון ההפוך, כך שלמעשה בכל רגע החלקיקים נעים אקראית אך לאורך זמן קיימת "הגירה" של חלקיקים למקומות המאופיינים בצפיפות נמוכה.


החלקיק הגדול הינו חלקיק אבק, בעוד החלקיקים הקטנים הם מולקולות גז (כמובן שקנה המידה של המולקולות הינו מוגזם באנימציה זו)

בסוף המאה ה 19 , איינשטיין היה במיעוט בחשיבתו המדעית בכל הנוגע לאידיאל של איחוד תיאוריות פיסיקליות על בסיס המכניקה. רוב הפיסיקאים של סוף המאה ה 19 חיפשו אחר אחדות באחת משתי דרכים שאינן מכאניות: מנקודת מבט אנרגטית ומנקודת מבט של התאוריה האלקטרומגנטית. שתי אלטרנטיבות אלו היו מאתגרות לגישה המאכנית בכל הנוגע לחום ואלקטרומגנטיות.

חקירת הדינאמיקה של מעבר חום, תרמודינאמיקה, הגיעה לשיאה בשני חוקי יסוד הקשורים לחום. החוק הראשון קושר חום, אנרגיה ועבודה בתהליכים תרמיים. חוק זה יכול להתפרש במונחים של תנועות והתנגשויות של 'אטומים ניוטוניים'. אולם, החוק השני אינו יכול להתפרש במונחים שכאלו. על פי החוק השני של התרמודינאמיקה, בזרימה של חום בתהליכים טבעיים, כמו לדוגמא התכה של קוביית קרח, התהליכים הינם תמיד בלתי הפיכים; כלומר, חום לא יזרום באופן טבעי לכיוון ההפוך- קוביית הקרח המותכת בחדר לא תקפא ככה סתם מעצמה. נשאלת השאלה, כיצד ניתן להסביר תופעה שכזו במונחים מכאניים? אם, כמו ניוטון ואחרים שגרסו שכל החומר מורכב מאטומים (או מולקולות), אזי חום הוא אינו אלא האנרגיה של התנועה, האנרגיה הקינטית, של האטומים. אבל, כמו כדורי ביליארד, כל האטומים באינטראקציה המיקרוסקופית חייבים להישמע לחוקי המכאניקה הניוטונית. אינטראקציות אלו הם הפיכות: תמונת התנועה של התנגשות בין שני אטומים פשוטים תראה נורמלית לחלוטין אם תתרחש אחורה בזמן. אז כיצד המאורעות המאקרוסקופיים הבלתי הפיכים, כמו דוגמת התכת קובית הקרח אכן מתרחשים?

פרדוקסים מסוג זה, גרמו לפיסיקאים כדוגמת מאך, לזנוח את הגישה האטומית של החומר. אכן, היו הרבה פיסיקאים באותה תקופה שפשוט זנחו את הגישה המכאנית (חלקיקית) וראו בחוקי התרמודינאמיקה כבסיסיים משום שלפי דעתם המכאניקה הניחה קיומם של חומר המורכב מאטומים (חלקיקים קטנים) בלתי נראים ואילו התרמודינאמיקה פשוט מתייחסת רק לאנרגיה ומעברי הפאזה הנצפים.

אך היו כמובן פיסיקאים שדבקו בחומר המורכב מאטומים. כפי שציינו, החוק השני של התרמודינאמיקה אומר שרוב התהליכים הטבעיים הינם בלתי הפיכים, בניגוד מוחלט למכניקה הניוטונית של אטומים. בולצמן פתר סתירה זו בכך שפירש את החוק השני של התרמודינאמיקה כסוג של חוק חדש: כסטטיסטי ולא כחוק אבסולוטי. מכיוון שישנם הרבה אטומים או מולקולות, אפילו בקוביית קרח קטנה, זה מאוד לא יתכן, אבל לא בלתי אפשרי, לשלל המולקולות בקובייה המותכת לחזור בזמן סופי מאי הסדר של הנוזל למצבם המסודר המקורי (מוצק).
התכונות המאקרוסקופיות של חום ואובייקטים חומריים, כמו בלתי הופכיות, נובעות מהתנהגות סטטיסטית של מספר עצום של אטומים ומולקולות, התנהגות שמתוארת על ידי "מכאניקה סטטיסטית חדשה". בולצמן וגיבס הניחו את היסודות לאיך בדיוק החוק השני של התרמודינאמיקה נובע מהתנהגות סטטיסטית של שלל אטומים הנעים באקראיות.

אולי ללא ידיעת עבודתם (?) איינשטיין הקדיש 3 מאמרים מבריקים בין השנים 1902 ל 1904 לגזירה בלתי תלויה של החוק השני על פי "מכאניקה סטטיסטית חדשה" משלו, המבוססת על אטומים ומכניקה. בהמשכיות לעבודות אלו שכתב אינשטיין, הוא השיג מה שהוא כינה " תיאוריית חום כללית של מולקולות" המבוססת על כך ששני חוקי התרמודינאמיקה מתוארים בצורה מכאנית.


 

מבעד למיקרוסקופ, הקווים השחורים מציינים את התנועה האקראית.

על אף שבשנת 1905 אטומים ומולקולות היו ללא ביסוס מדעי מוצק, איינשטיין ניבא שהתנועות האקראיות של מולקולות בנוזל היוצרים מגע עם חלקיקים גדולים יותר יביא לתנועה לא סדירה, תנועה אקראית של חלקיקים, אשר יכולה להימדד מתחת למיקרוסקופ. הניבוי של תנועה זו התאים בדיוק לתנועה הבראונית שגילה הבוטנאי רוברט בראון ב 1828! מתנועה זו איינשטיין באופן מדויק קבע את המימדים של אותם מולקולות היפותטיות.
פארין (Jean Perrin), פיסיקאי צרפתי, הוכיח למעשה ב 1911 שחומר אכן בנוי מאטומים ומולקולות. אף על פי שהתיאוריה האטומית במקורה פותחה ע"י ג'ון דלטון, תורה זו הייתה תחת ויכוח במשך כמאה שנים. הייתה זו עבודתו של פארין- ותנועה בראונית- שהביאה את התאוריה האטומית לפיה החומר בנוי מאטומים לכלל הכרה אוניברסאלית במדע.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

3 תגובות

  • נועם

    משהו חסר לי. מה קורה במערכת

    משהו חסר לי. מה קורה במערכת שבה ישנם רק שני חלקיקים, ושניהם בעלי אנרגיה קינטית?
    האם נכון שבכל התנגשות החלקיק בעל התנע הגבוה יותר יעביר חלק מהתנע שלו לחלקיק השני (הפרש התנע יצטמצם ולא יגדל), ואם שניהם בעלי אותו תנע אזי גודל התנע שלהם לא יושפע כלל אלא רק הכיוון?
    אם זה נכון, אז לכאורה יש כאן חץ זמן אנטרופי שכלל אינו סטטיסטי אלא בנוי על חוק מכני בסיסי.

  • אנונימי

    אתה צודק

    לכן הייתה בעיה להסביר את התהליכים הבלתי הפיכים מכיוון שהתייחסו על מספר חלקיקים סופי (במקרה שלך 2) אך זה לא המצב לעולם ,האקראיות נובעת המכמות הבלתי נתפסת של חלקיקים

  • נועם

    זה לא עונה על השאלה

    אני מבין שהסטטיסטיקה מסבירה את חץ הזמן של מערכות גדולות. אני רק שואל האם זה נכון שמערכת של שני חלקיקים היא הפיכה? האם בהתנגשות בין 2 חלקיקים הפרש האנרגיה ביניהם יכול לגדול כמו שהוא יכול להצטמצם?